古建筑墻磚回彈法測強技術研究

丁 偉

（河北省建筑科學研究院有限公司，河北 石家莊 050021）

0 引 言

古建筑作為人類文明發展的重要遺產之一，具有極高的歷史、藝術、科學、社會及文化價值。我國第三次全國文物普查，被認定為不可移動文物的數量約 76 萬余處，其中在河北地區，有懷來雞鳴驛城、豐潤玉煌塔、定州古塔等較大比例的以傳統手工青磚和灰漿砌筑而成的砌體為主要豎向受力構件的古建筑。這些古建筑有的受到自然條件的侵蝕，有的受到人類活動的破壞，急需要進行科學化保護，為達到對古建筑本體最小干預的原則，對古建筑本體的檢測評估工作尤為重要。

由于古建筑墻磚主要用于承受壓力，因此對古建筑墻磚質量檢測的重點為對其強度的檢測，其強度的指標直接關系到文物古建筑結構的安全性和耐久性［1］。

回彈法具有設備輕便，操作簡便高效，對場地條件要求不高，對文物古建筑無損的優點，使得該方法非常適合進行古建筑墻磚強度的檢測。

目前本課題組已建立了河北地區古城墻磚測強曲線［2］以及保護維修工程用現代手工城磚測強曲線［3］。由于古建磚料的品種、規格尺寸一直沒有統一規定，且規格尺寸相差較大，上述已建立的兩條曲線均是針對規格尺寸較大的城磚得出的，是否適用于其他較小規格尺寸的手工青磚還有待進一步研究。

基于上述問題，本文結合豐潤玉煌塔、遵化清東陵景陵圣德神功碑樓、中央人民廣播電臺舊址等多項古建筑維修項目，選取了一定數量的與燒結普通磚尺寸相當的小規格古建筑墻磚，對采用回彈法測試其強度進行了系統研究。

圖1 直線式回歸曲線

圖2 冪函數式回歸曲線

圖3 指數函數式回歸曲線

1 小規格古墻磚回彈測強試驗研究

1.1 試驗設備

本次試驗采用型號為 HT-75 的回彈儀以及 WEW-300B/600B 型液壓萬能試驗機。

1.2 磚樣選取及試件制備

結合古建筑維修保護項目，以盡可能使所選取磚樣強度分布最大為目的，共抽取小規格古墻磚 60 塊，用于回彈和直接抗壓強度對比試驗。

將所抽取的 60 塊磚樣，輔以部分普通磚，緊貼房屋墻面，采用 M 2.5 的混合砂漿砌筑成標準墻片，墻片高度約 2.5 m。

1.3 回彈及抗壓強度試驗

待所制做的標準墻片養護 28 d 后，依次在每塊已編號的磚樣的外露條面上采用回彈儀進行回彈測試，每塊磚的外露條面上均勻布置 5 個彈擊點，相鄰彈擊點間距不小于 30 mm，兩邊彈擊點離磚邊緣不小于 30 mm。對應磚樣編號依次記錄回彈值，并計算每塊磚樣 5 個回彈值的平均值。

待標準墻片內所有青磚回彈測試完畢，去掉粘結砂漿，將每塊已編號青磚磚樣制成一次成型試樣，按照國家標準 GB/T 2542-2012《砌墻磚試驗方法》［4］進行抗壓強度測試。對應磚樣編號，依次測量每塊試樣連接面長度（L）和寬度（B），并記錄最大破壞荷載（P），計算每塊試樣的抗壓強度Rp=P/（L×B）。

1.4 回彈測強曲線的建立

回彈及抗壓測試完成后，每個試樣均得到回彈值平均值Ri和抗壓強度fi兩個數據。二者之間的關系存在一定的規律性，這種規律性的聯系稱為相關性［5-7］。

參考 JC/T 796-1999《回彈儀評定燒結普通磚強度等級的方法》［8］中，回彈儀評定磚強度等級測強曲線的制定方法，分別采用直線式、冪函數式、指數函數式三種回歸方程，按照最小二乘法原理進行回歸分析，結果如圖1～3 所示。

用抗壓強度值和平均回彈值，按各回歸方程式計算強度的相關系數、平均相對誤差、相對標準差，如表1所示。

表1 回彈測強回歸對比表

根據表1，測強曲線選用相關系數相對較大、相對標準差相對較小的線性函數表達式（1）。

為了驗證該方程回歸效果的顯著性，采用F檢驗法對上述回歸方程進行顯著性檢驗，結果為回歸方程的回歸效果顯著。

由于受到所抽取古墻磚強度分布的限制，故本測強曲線僅適用于強度為 4～15 MPa 的小規格古墻磚的檢測。

2 河北地區古建筑墻磚統一回彈測強曲線的建立

2.1 古城墻磚回彈測強曲線

河北地區規格尺寸較大的古城墻磚回彈法測強公式如式（2）所示。

2.2 古建筑墻磚統一回彈測強曲線的建立

將一定間隔的回彈值代入式（1）、（2），可分別得到相應換算抗壓強度值，計算結果如表2及圖4所示。

表2 換算抗壓強度對比表

圖4 測強曲線對比圖

由表2和圖4的對比研究發現，小規格古墻磚以及大規格古城磚測強曲線較接近，利用數理統計方法可以將該兩條曲線回歸出回彈法檢測古建筑墻磚的統一測強公式。

圖5 擬合曲線

選取范圍在 22～38 之間的 33 個回彈值（等差為0.5），分別按照小規格古墻磚以及大規格古城磚強度換算公式計算得到相應的換算抗壓強度值。將得到的66（33×2）組“回彈值-抗壓強度”數據描繪出散點圖特征。考慮到古墻磚低強度區的適用性，采用冪函數式按最小二乘法對回彈值-抗壓強度數據進行回歸，得到統一測強曲線，如圖5所示。計算相關系數為 0.986，數據點個數 66，回歸公式為式（3）。

2.3 與現代燒結普通磚回彈測強公式比較

現行標準中，GB/T 50315-2011《砌體工程現場檢測技術標準》［9］（以下簡稱“GB/T 50315-2011”）和GB/T 50344-2004《建筑結構檢測技術標準》［10］（以下簡稱“GB/T 50344-2004”），均給出了燒結普通磚的回彈測強公式，分別為式（4）、（5）。

為利于古建筑墻磚與現代燒結普通磚測強曲線的對比分析，并考慮各曲線的適用范圍，將一定間隔的回彈值分別代入式（3）～（5）中，計算出相應的換算抗壓強度值，并繪制回彈測強曲線對比圖，分別如表3和圖6所示。

表3 換算抗壓強度值對比表

圖6 回彈測強曲線對比圖

根據表3、圖6，古墻磚測強曲線和兩部現行標準給出的燒結普通磚測強曲線相比較，古墻磚測強曲線切線斜率明顯低于兩部標準給出的燒結普通磚測強曲線，說明隨著回彈值的增加，古墻磚換算抗壓強度增勢緩于兩部標準給出的普通磚換算抗壓強度增勢。在古墻磚測強曲線適用范圍內，在相同回彈值的情況下古墻磚換算抗壓強度值均高于兩部標準燒結普通磚換算抗壓強度值，且隨回彈值的增大呈接近趨勢。

2.4 工程應用

結合烏龍溝長城、廣宗縣官署正堂等多項古建筑維修保護項目，對所得的統一回彈測強曲線的適用性進行了應用驗證，驗證結果表明，古墻磚統一回彈測強曲線f=0.0193R1.8079，適用于所抽取的各種規格古墻磚，精度較好。

3 結 語

依據國家現行標準和技術規程，通過試驗和數據統計分析，建立了小規格古墻磚回彈測強曲線。并通過大規格城磚與小規格古墻磚測強曲線的對比、回歸分析，給出了適用于河北地區各種規格尺寸古建筑墻磚的統一回彈測強曲線，回彈測強公式為：f=0.0193R1.8079。該測強曲線適用于強度為 4～15 MPa 的各種規格古墻磚的檢測，當超出本曲線適用范圍時，應進行驗證后使用，或制定專用回彈測強曲線。

該統一回彈測強曲線的建立豐富了文物古建筑現狀無損檢測手段，促進了河北地區回彈法檢測古建筑墻磚抗壓強度的規范化、標準化。